Новое исследование Virginia Tech помогает объяснить, как птицы справляются с этими скоростными погружениями.«Нас интересовало, что происходит, когда объекты погружаются в воду, поэтому мы искали примеры в природе; олуши невероятны», — сказал Санни Юнг, доцент кафедры биомедицинской инженерии и механики Инженерного колледжа и эксперт по биомеханике жидкостей. ; он также изучал необычную технику питья собак и то, как креветки используют микроскопические пузыри для охоты.
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, Юнг и его коллеги изучают биомеханику нырков олушей. Они обнаружили, что форма головы птиц, длина шеи и мускулатура, а также скорость ныряния работают согласованно, чтобы вода не сгибала их тонкие шеи.Предыдущие исследования ныряющих птиц были сосредоточены на экологических аспектах этого охотничьего поведения, называемого «погружение в воду». Работа Юнга — первая работа, в которой исследуются лежащие в основе физики и биомеханической инженерии, позволяющие птицам погружаться под воду без травм.
Чтобы проанализировать форму тела птицы и мускулатуру шеи, команда использовала спасенную олушу, предоставленную Музеем естественных наук Северной Каролины. Они также создали трехмерные печатные копии черепов олуш из коллекции Смитсоновского института, которые помогли им измерить силы, действующие на череп, когда он входит в воду.Основная сила, действующая на голову олуши, когда она погружается под воду, — это сопротивление, которое увеличивается со скоростью.
Чтобы проанализировать, какие другие параметры влияют на силу, которую испытывает птица, исследователи создали упрощенную модель из трехмерного напечатанного конуса на гибкой резиновой «шее» и погрузили эту систему в бассейн с водой, варьируя угол конуса и длину шеи. , и скорость удара. Скоростное видео показало, прогнулась ли шея.«Вот что мы делаем: берем сложную систему и находим способ ее упростить», — сказал Брайан Чанг, докторант четвертого курса из Вашингтона, округ Колумбия, который начал работать в лаборатории Юнга еще на бакалавриате.Их анализ показал, что переход от устойчивости к изгибу зависит от геометрии головки, свойств материала шейки и скорости удара; на типичных скоростях ныряния олуши узкий заостренный клюв и длина шеи птиц удерживали силу сопротивления в безопасном диапазоне.
«Мы обнаружили, что олуша имеет определенную форму головы, которая снижает сопротивление по сравнению с другими птицами того же семейства», — сказал Юнг.Исследователи также обнаружили, что птицы дополнительно снижают риск искривления, сокращая мышцы шеи перед ударом, выпрямляя S-образную шею.
Команда уже расширяет свою работу на другие виды.«Одно из следствий этого исследования — критерии безопасности для дайверов», — сказал Юнг.
Люди находятся в невыгодном положении по сравнению с олушами; В отличие от птичьего острого клюва и тонкой шеи, ступни человека создают плоскую поверхность, которая увеличивает силу удара о воду. Эта сила может быть достаточно сильной, чтобы сломать кости и вызвать повреждение органов и тканей.
По мере того, как такие виды спорта, как прыжки с утеса и мостик, становятся все более популярными, исследования биомеханики жидкости могут помочь определить максимальную безопасную высоту для дайверов и дать рекомендации по позициям, которые могут минимизировать риск травм.Юнг и Чанг также применяют свои исследования ныряющих птиц, частично поддерживаемые Институтом критических технологий и прикладных наук и Национальным научным фондом, в своей работе со старшей командой разработчиков Технологического института Вирджинии над подводным снарядом в виде олуши для автономного зондирования. .